셀밸런싱

셀밸런싱은 직렬로 연결된 배터리의 각 셀 전압을 동일하게 맞추는 것이다. 병렬로 연결된 셀은 자동으로 각 셀 전압이 맞춰진다. 리튬이온 배터리는 2.5~4.2V 이내의 전압을 유지해야 한다. 이 범위를 벗어나면 리튬이온 배터리에서 불이 날 수 있다. 1개 셀이 사용될 때는 1개 셀의 전압만 모니터링하면 되지만, 2개 이상의 셀이 사용될 때는 모든 셀의 전압을 모니터링해야 한다. 2개 셀 이상의 배터리에서 충전,/방전을 하면 셀마다 전압이 조금씩 달라진다. 예들 들면 2개 셀을 충전 중 첫번째 셀 전압이 4.2V가 되고 두번째 셀 전압이 4.0V가 된다면 첫번째 셀의 보호를 위해 충전을 중지해야 한다. 그렇게 되면 두번째 셀이 완전히 충전되지 않기 때문에 전체 충전 용량이 줄어 들게 된다. 이와 같이 셀간의 전압이 다를 때 사용하는 기능이 셀밸런싱 기능이다. 셀밸런싱은 전압이 높은 셀 부분만을 방전시켜 다른 셀들과 같은 전압으로 낮추는 것이다.

셀밸런싱 기능은 보통 충전 중에만 사용 한다. 셀밸런싱은 수동(Passive)와 능동(Active) 방식이 있다. 수동 셀밸런싱 방식은 셀 전압을 낮추기 위해 저항으로 셀의 충전 에너지를 소비시키는 방식이고 능동 셀밸런싱 방식은 높은 전압의 셀의 충전 에너지를 낮은 전압의 셀로 이동 시키는 방식이다.

수동 셀밸런싱 방식은 콤퍼레이터(Comparator)로 전압을 비교하여 전압이 4.2V 이상이 되면 저항과 연결된 트랜지스터를 ON 시켜 전류를 소비시키는 매우 단순한 방식이다. 하지만, Comparator가 항상 연결되어 있기 때문에 사용하지 않을 때에도 배터리의 전류가 소모된다. 그래서, 콤퍼레이터를 초저전력 타입을 사용해야 한다.

삼성, LG 등에서 만드는 배터리는 동일한 모델을 사용하면 상당한 시간을 사용해도 셀밸런싱 없이도 셀 밸런스가 어느 정도 유지된다. 하지만, 저가 제품은 동일한 모델을 사용해도 셀 밸런스가 쉽게 무너진다. RC 모형에 사용하는 리튬 폴리머 배터리는 셀밸런스가 쉽게 깨지기 때문에 충전 시 항상 셀 밸런싱을 맞춰줘야 한다.

장점

수동 및 능동 셀밸런싱을 사용해 배터리 스택의 각 셀을 모니터링 하면 건전한 배터리 충전 상태(State of Charge; SoC)를 유지할 수 있다. 그럼으로써 배터리 사이클 수명을 연장할 뿐만 아니라, 과방전으로 인한 배터리 셀 손상을 방지해 추가적인 차원의 보호를 할 수 있다.

수동 밸런싱(passive balancing)은 외부의 저항을 통해 여분의 전하를 소산시켜 모든 배터리 셀들이 비슷한 SoC가 되도록 한다. 따라서 시스템 사용 시간을 늘리지는 못한다.

능동 밸런싱(active balancing)은 좀 더 복잡한 밸런싱 기법이다. 충전 사이클과 방전 사이클 시에 배터리 셀들 간에 전하를 재분배함으로써 배터리 스택에서 활용되는 총 전하를 늘려서 시스템 가시간을 늘린다. 수동 밸런싱을 사용할 때와 비교해서 충전 시간을 단축하고, 밸런싱을 하는 동안 발생되는 열을 줄인다.

방전 시 능동 셀밸런싱

그림1의 다이어그램은 통상적인 배터리 스택에서 모든 셀들이 최대 용량에서 부터 시작하는 것을 보여준다. 이 그림에서 최대 용량은 90% 충전으로 표시되어 있다. 배터리를 장기간 거의 100%에 가까운 용량으로 유지하면 수명이 빠르게 줄어들기 때문이다. 최대로 방전했을 때는 30%로서, 이것은 과방전을 방지하기 위해서다.

그림1 : 최대 용량일때

 

시간이 지나면서 어떤 셀들이 다른 셀들보다 약해짐으로써 방전 프로파일이 아래 그림 2와 같아진다.

그림2 : 방전 불일치

 

그림에서 보듯이 다수의 셀들에서 상당히 용량이 남아 있는데, 약한 셀들이 제한 요인이 되어서 시스템 사용시간이 제한된다. 5%의 배터리 불일치이면 5%의 용량이 사용되지 못하는 것이다. 그러므로 대용량 배터리의 경우 사용되지 못하는 에너지양이 상당할 수 있다. 사용되지 못하는 에너지가 발생하면 배터리를 충전하고 방전하는 횟수가 많아지게 된다. 이것은 다시 배터리 수명을 단축하는 것으로 이어지고 배터리를 더 빈번하게 교체해야 함으로써 비용이 증가한다.

능동 밸런싱을 사용함으로써 강한 셀들에서 약한 셀들로 전하를 재분배할 수 있다. 그럼으로써 완전 방전 배터리 스택 프로파일을 달성할 수 있다.

그림3 : 능동 밸런싱을 사용한 완전 방전

 

충전 시 능동 셀밸런싱

밸런싱을 사용하지 않고 배터리 스택을 충전하면 약한 셀들이 강한 셀들보다 먼저 최대 용량에 도달한다. 이 경우에도 역시 약한 셀들 때문에 시스템으로 저장할 수 있는 총 전하가 제한되게 된다. 그림 4는 충전 시의 이러한 제한을 보여준다.

그림4 : 밸런싱을 사용하지 않은 충전

 

능동 밸런싱을 사용해서 충전 시에 전하 재분배를 함으로써 스택을 최대로 충전할 수 있다. 밸런싱에 할당되는 시간이나 밸런싱 전류가 밸런싱 시간에 미치는 영향 등 문제들도 중요하게 고려해야 한다.

배터리 스택 모듈에 능동 밸런싱 적용

 

ADI 능동 셀밸런서 제품

ADI는 다양한 시스템 요구를 충족하도록 다양한 능동 셀밸런서 제품을 제공한다. LT8584는 2.5A 방전 전류의 모노리딕 플라이백 컨버터로서 LTC680x 다중소재 배터리 셀 모니터링 제품과 함께 사용하기에 적합하다. 어느 한 셀에서 배터리 스택의 맨 위 셀이나 스택 내의 다른 배터리 셀 또는 셀 조합으로 전하를 재분배할 수 있다. 배터리 셀마다 하나의 LT8584를 사용한다. LTC3300은 리튬 및 LiFePO4 배터리용의 독립형 양방향 플라이백 컨트롤러로서, 최대 10A의 밸런싱 전류를 제공한다. 이 제품은 양방향을 지원하므로, 어느 한 셀로부터의 전하를 높은 효율로 12개 혹은 그 이상의 인접한 셀들로 전달할 수 있다. 단일 LTC3300이 최대 6개 셀을 밸런싱 할 수 있다.

고효율 양방향 밸런싱

 

LTC3305는 독립형 납축전지 밸런서로서 최대 4개 셀을 밸런싱 할 수 있다. 다섯 번째의 저장용 배터리 셀(Aux)을 사용하고 이것을 다른 배터리들 각각과 병렬이 되게 해서 한 번에 하나씩 모든 배터리 셀을 밸런싱 한다. 납축전지는 견고하기 때문에 이렇게 처리하는 것이 가능하다.

프로그램 된 상한 및 하한 배터리 전압을 사용한 4개 배터리 밸런싱

 

애플리케이션에 따라 적절한 방법 선택

능동 밸런싱과 수동 밸런싱은 각 셀의 SoC를 모니터링하고 일치시킴으로써 시스템 건전성을 향상시킬 수 있는 효과적인 방법이다.

능동 셀 밸런싱은 충전과 방전 시에 전하를 재분배하는 방식이고, 이와 달리 수동 셀 밸런싱은 충전 사이클 시에 전하를 소산시킨다. 그러므로 능동 셀 밸런싱은 시스템 사용시간을 늘리고 충전 효율을 높인다. 하지만 그러기 위해서 능동 밸런싱은 좀 더 복잡하고 풋프린트가 큰 솔루션을 필요로 한다. 수동 밸런싱은 좀 더 경제적이다. 어떤 기법이 더 적합하냐는 애플리케이션에 따라서 달라질 것이다.

ADI는 두 기법 모두 적용 가능한 솔루션들을 제공한다. 배터리 관리 IC(LTC6803과 LTC6804)에 통합된 형태나 이러한 IC들과 짝을 이루어서 사용할 수 있는 디바이스 형태로 솔루션을 제공하며 이로 인해 정밀하고 견고한 배터리 관리 시스템을 달성할 수 있다.

참고자료

• 〈배터리의 셀 밸런스 란?〉, 《백과사전》, 2017-06-06
• 이수민 기자, 〈배터리 수명과 시스템 사용시간 늘리려면? 능동 배터리 셀 밸런싱 고려해야〉, 《e4ds 뉴스》, 2019-07-05

같이 보기

• 리튬이온 배터리
• 콤퍼레이터

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